(57)【要約】      （修正有）【課題】優れた曲げ強度と吸収エネルギー特性を有する特殊形状異形管の製造。【解決手段】高周波溶接法等で溶接された鋼管を、異形台形管の湾曲縁辺部および袋部の周方向長さと、台形部の短辺部を除く周方向長さにほぼ適合するように円弧の半径ならびに角度を設定した大小２種類の凸曲面よりなる断面にロール成形する（第一工程）後、前記２種類の凸曲面の内の曲率半径の大きい面の中央表面から円盤状ロール２１を当て前記曲率半径の大きい面を管の内側に窪ませるようにロール成形する（第二工程）。その後、中央が窪み樋状に湾曲した断面の両側にロール３１，３２を当て樋状開口部を狭めて管外径を小さくロール成形した（第三工程）後、上ロール４３で上部を支えつつ左右テーパーロール４１，４２を用いて左右辺部を側方から内側に押し込むと共に下ロール４４で底辺部を押し上げて異形台形管の底辺および斜辺をロール成形して異形管を製造する（第四工程）。  【選択図】図５
2005230897.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円形管から、横断面の外郭がほぼ台形状を示し、台形の短辺部に内向きの湾曲縁辺部が相対向して形成されるとともに、該湾曲縁辺部から連続して延びた袋部が台形内にその長辺部に対向して形成された異形管をロール成形する際、円形管を大小２種類の凸曲面よりなる断面にロール成形する第一工程と、前記２種類の凸曲面の内の曲率半径の大きい面の中央表面から円盤状ロールを当て前記曲率半径の大きい面を管の内側に窪ませるようにロール成形する第二工程と、中央が窪み樋状に湾曲した断面の両側に凹型ロールを当て樋状開口部を狭めて管外径を小さくロール成形する第三工程と、上ロールで上部を支えつつ左右テーパーロールを用いて左右辺部を側方から内側に押し込むとともに下ロールで底辺部を押し上げて異形台形管の底辺および斜辺をロール成形する第四工程からなることを特徴とする自動車構造部材用異形管の製造方法。
【請求項２】
第一工程で、大小２種類の凸曲面の曲面長さを、異形台形管の湾曲縁辺部および袋部の周方向長さと、台形部の短辺部を除く周方向長さにほぼ適合するようにロール成形する請求項１に記載の自動車構造部材用異形管の製造方法。
【請求項３】
第四の工程の前に、テーパー部と湾曲部を有する左右ロールと第四工程で用いる下ロールの曲率半径よりも小さい曲率半径の湾曲部を有する下ロール、および第四工程で用いる上ロールよりも平坦幅の広い上ロールでロール成形する工程を挟む請求項１または２に記載の自動車構造部材用異形管の製造方法。
【請求項４】
素管の円周方向に配置された、曲率半径の大きい凹部をもつ凹型上ロールと曲率半径の小さい凹部をもつ凹型下ロールからなる第一成形スタンドと、同じく素管の円周方向に配置された、前記曲率半径の小さい凹部をもつ凹型下ロールと同じかそれよりも小さい曲率半径の凹部をもつ凹型下ロールと端部の曲率半径が小さい円盤状の凸型上ロールからなる第二成形スタンドと、第二成形スタンドの凹型下ロールと同程度の曲率半径の凹部をもつ凹型ロールが一対で左右に配置されている第三成形スタンドと、低部径よりも高部径の方が大きいテーパーロールが左右に配置されるとともに、平型上ロールと大きい曲率半径の凹型下ロールが上下に配置されている第四成形スタンドを備えていることを特徴とする自動車構造部材用異形管の製造装置。
【請求項５】
第三の成形スタンドは左右ロールの他に、第二成形スタンドの凸型上ロールの幅よりも平坦幅が狭い円盤状の平型上ロールと第二成形スタンドの凹型下ロールよりも小さい曲率半径の凹部をもつ凹型下ロールが上下に配置されたものである請求項４に記載の自動車構造部材用異形管の製造装置。
【請求項６】
第三成形スタンドと第四成形スタンドの間に、中央部径よりも高部径の方が大きいテーパー部と中央部から底部にかけて湾曲した湾曲部を有するロールが左右に配置されるとともに、第三成形スタンドの平型上ロールよりも平坦幅が狭く第四成形スタンドの平型上ロールよりも広い平坦幅の平型上ロールと、第三成形スタンドの凹型下ロールと同等もしくは大きく第四成形スタンドの凹型下ロールよりも小さい曲率半径を有する凹型下ロールが上下に配置された成形スタンドを介在されている請求項４又は５に記載の自動車構造部材用異形管の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、優れた曲げ強度と吸収エネルギー特性を有する自動車構造部材として使用する異形管を製造する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、自動車の側面衝突時のエネルギーを吸収して運転者や同乗者の安全を確保するために、ドア補強部材であるドアインパクトビームやピラー補強材として吸収エネルギー特性に優れた鋼製の構造部材が広く使用されている。バンパーにも同様の構造部材が用いられている。鋼板をプレス成形したものも使用されているが、適宜長さに切断された鋼管が用いられる場合が多い。
特に、ドアインパクトビームには、衝突時の安全性を確保するとともに軽量化を図るために、引張強さが１４００Ｎ／ｍｍ2以上の超高張力鋼管が用いられている。
【０００３】
自動車構造部材の軽量化のためには、肉厚の薄い材料を使用するか、断面積を小さくするか、あるいは軽量な材質に変更するか、等が考えられるが、断面積を小さくしたり、軽量な材質に変更したりすることで軽量化を図ると、吸収エネルギー特性が低下してしまう。このため、現実には設計段階で材料の強度向上と薄肉化を同時に検討している。
ところが、材料強度を向上させて薄肉化しても、薄肉化のために曲げ強度が低下するために局部的な変形や座屈が起きやすく、吸収エネルギー特性は向上しない。
【０００４】
そこで、曲げ強度を高め、局部的な変形や座屈を抑制して吸収エネルギー特性をより高めるために、断面形状が円形でなく、異形形状にした構造部材も提案されている。
例えば、特許文献１では、図１の（ａ）に示すような、ほぼ円形管の一部に対向する内向きの彎曲縁辺部を形成し、この両彎曲縁辺部と連続一体化して管内に凹部を形成した断面形状（以下、「ターンナップ形状」と称す。）としたドア補強材が提案されている。また、特許文献２では、図１の（ｂ）に示すような、断面形状を縦長の楕円形状（以下、「オーバル形状」と称す。）とした自動車用構造部材が提案されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２７８０５５号公報
【特許文献２】特開２００２−２４８９４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一方で、自動車の燃費向上のために、自動車構成部材のより軽量化が求められており、補強用の構造部材にもより薄肉のものが要求されている。薄肉化すると、上記のように吸収エネルギーが低下するために、従来の円形管や、上記特許文献で提案された断面形状を有する異形管では、単純に高強度薄肉化対応のみで、吸収エネルギー特性を向上させることには限界があった。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、曲げ強度と吸収エネルギー特性を高くすることができる特殊形状の異形管を、簡便かつ低コストで製造する手段を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の自動車構造部材用異形管の製造方法は、その目的を達成するため、円形管から、横断面の外郭がほぼ台形状を示し、台形の短辺部に内向きの湾曲縁辺部が相対向して形成されるとともに、該湾曲縁辺部から連続して延びた袋部が台形内にその長辺部に対向して形成された異形管をロール成形する際、円形管を大小２種類の凸曲面よりなる断面にロール成形する第一工程と、前記２種類の凸曲面の内の曲率半径の大きい面の中央表面から円盤状ロールを当て前記曲率半径の大きい面を管の内側に窪ませるようにロール成形する第二工程と、中央が窪み樋状に湾曲した断面の両側にロールを当て樋状開口部を狭めて管外径を小さくロール成形する第三工程と、上ロールで上部を支えつつ左右テーパーロールを用いて左右辺部を側方から内側に押し込むとともに下ロールで底辺部を押し上げて異形台形管の底辺および斜辺をロール成形する第四工程からなることを特徴とする。
【０００８】
第一工程では、大小２種類の凸曲面の曲面長さを、異形台形管の湾曲縁辺部および袋部の周方向長さと、台形部の短辺部を除く周方向長さにほぼ適合するようにロール成形することが好ましい。
第四の工程の前に、テーパー部と湾曲部を有する左右ロールと第四工程で用いる下ロールの曲率半径よりも小さい曲率半径の湾曲部を有する下ロール、および第四工程で用いる上ロールよりも平坦幅の広い上ロールでロール成形する工程を挟んでも良い。
【０００９】
本発明の自動車構造部材用異形管の製造装置は、素管の円周方向に配置された、曲率半径の大きい凹部をもつ凹型上ロールと曲率半径の小さい凹部をもつ凹型下ロールからなる第一成形スタンドと、同じく素管の円周方向に配置された、前記曲率半径の小さい凹部をもつ凹型下ロールと同じかそれよりも小さい曲率半径の凹部をもつ凹型下ロールと端部の曲率半径が小さい円盤状の凸型上ロールからなる第二成形スタンドと、第二成形スタンドの凹型下ロールと同程度の曲率半径の凹部をもつ凹型ロールが一対で左右に配置されている第三成形スタンドと、低部径よりも高部径の方が大きいテーパーロールが左右に配置されるとともに、平型上ロールと大きい曲率半径の凹型下ロールが上下に配置されている第四成形スタンドを備えていることを特徴とする。
【００１０】
第三の成形スタンドは左右ロールの他に、第二成形スタンドの凸型上ロール幅よりも平坦幅が狭い円盤状の平型上ロールと第二成形スタンドの凹型下ロールよりも小さい曲率半径の凹部をもつ凹型下ロールが上下に配置されていてもよい。
この場合、第三成形スタンドの平型上ロールは第四成形スタンドの平型上ロールよりも平坦幅が広く、凹型下ロールは第四成形スタンドの凹型下ロールよりも曲率半径が小さくされている。
【００１１】
第三成形スタンドと第四成形スタンドの間に、中央部径よりも高部径の方が大きいテーパー部と中央部から底部にかけて湾曲した湾曲部を有するロールが左右に配置されるとともに、第三成形スタンドの平型上ロールよりも平坦幅が狭く第四成形スタンドの平型上ロールよりも広い平坦幅の平型上ロールと、第三成形スタンドの凹型下ロールと同等もしくは大きく第四成形スタンドの凹型下ロールよりも小さい曲率半径を有する凹型下ロールが上下に配置された成形スタンドを介在させても良い。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、横断面の外郭がほぼ台形状を示し、台形の短辺部に内向きの湾曲縁辺部が相対向して形成されるとともに、この湾曲縁辺部から連続して延びた袋部が台形内にその長辺部に対向して形成された断面形状を有し、吸収エネルギー特性に優れた異形管を、１段当りの成形量を大きくとって少ない段数で成形することができる。
衝撃吸収エネルギーが高くなるので、自動車用構造部材として使用される異形管の薄肉化が可能になって、自動車の軽量化に大きくも寄与することになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明者等は、まず、自動車用構造部材として、曲げ強度と吸収エネルギー特性が最も高くなる断面形状について種々検討した。
その結果、図２（ａ）に示すように、横断面の外郭がほぼ台形状を示し、台形の短辺部に相対向する内向きの湾曲縁辺部ｃ〜ｃ’，ｄ〜ｄ’が形成されるとともに、該湾曲縁辺部ｃ〜ｃ’，ｄ〜ｄ’から連続して延びた袋部ｅが台形内にその先端ａを台形の長辺部ｂに対向するように形成されたような断面形状を有する異形管を、前記台形の短辺部ｃ，ｄで荷重を受けるように配置すると、曲げ強度や吸収エネルギーが最も高くなることを見出した。
【００１４】
上記のような断面形状を有する異形管が、従来のような断面形状を有する異形管に比べて優位である理由は、次のように考えられる。
図２に示される方向に局部的に曲げ荷重を受けたとき、図２（ａ）に示す断面形状の異形管は図２（ｂ）に示すような断面形状に変形する。まず、受けた荷重は、図に示す台形の長辺部ｂとそれに対向する袋部ｅの先端ａが接触することにより支えられるため、変形し難くなる。次に湾曲縁辺部の先端ｃ’，ｄ’が互いに接触することにより、荷重による異形管の変形を抑制するとともに、ねじれを抑制する。また荷重を受けて袋部ｅが膨れることによるねじれ抑制作用もある。さらに、台形の長辺部ａと袋部の先端ｂおよび湾曲縁辺部の先端ｃ’，ｄ’が互いに接触して支えあう作用により、図に示す斜辺部ｆおよびｇの荷重方向に対する角度θ１，θ２が小さくなるように変形し、曲げ荷重に対する異形管、すなわち自動車用構造部材の強度および吸収エネルギーを高める作用を発揮する。
【００１５】
これに対して、従来から補強部材等の自動車用構造部材として用いられている円形やオーバル形状のような単純な断面形状、あるいはターンナップ形状の断面形状では、曲げ強度，吸収エネルギーはさほど高くならない。すなわち、真円形状やオーバル形状のような単純な形状では、本発明品のように荷重を台形の長辺部ｂと袋部の先端ａおよび湾曲縁辺部の先端ｃ’，ｄ’が互いに接触して支えるような構造でないために強度が弱く、吸収エネルギーも低い。ターンナップ形状では、上記ａとｂおよびｃ’とｄ’が接触して支えることによる強度向上効果は本発明品と同程度に期待できるが、全体がほぼ円形であるために外周部は横長に扁平しやすく、エネルギーを十分に吸収することは期待できない。
以上のように、本発明品の断面形状では受けた荷重を支える構造であるために強度が高くなり、また変形代が少ないので吸収エネルギーが大きくなっている。
【００１６】
なお、底辺部と斜辺部の角度が小さくなるほど、荷重を支える力が弱く、しかも変形しやすいので吸収エネルギーも低くなるため、底辺部と斜辺部の角度は６０度以上にすることが好ましい。
本発明で得られるような異形管からなる構造部材は、荷重を受ける方向により曲げ変形や吸収エネルギー特性が異なる。このため、曲げ特性が最大限発揮されるように方向性を持たせて配置することが必要になる。本発明で得られる異形管を使用した自動車用構造部材では、断面台形の短辺側で荷重を受けるように配置されることが好ましい。
【００１７】
自動車構造部材用の異形管は、次のような複数の成形工程を連続的に行うことによりなされる。
図３にしたがって、その過程を概略的に説明すると、（ａ）まず、高周波溶接法等で溶接された鋼管を準備し、（ｂ）第一工程として、異形台形管の湾曲縁辺部および袋部の周方向長さと、台形部の短辺部を除く周方向長さにほぼ適合するように円弧の半径ならびに角度を設定した大小２種類の凸曲面よりなる断面にロール成形する。（ｃ）その後、第二工程として、前記２種類の凸曲面の内の曲率半径の大きい面の中央表面から円盤状ロールを当て前記曲率半径の大きい面を管の内側に窪ませるようにロール成形する。（ｄ）その後さらに、第三工程として、中央が窪み樋状に湾曲した断面の両側に凹型ロールを当て樋状開口部を狭めて管外径を小さくロール成形した後、（ｆ）第四工程として、上ロールで上部を支えつつ左右テーパーロールを用いて左右辺部を側方から内側に押し込むとともに下ロールで底辺部を押し上げて異形台形管の底辺および斜辺をロール成形して，異形管を製造する。
第四工程の前に、テーパー部と湾曲部を有する左右ロールと平型上ロールおよび小さい曲率半径の湾曲部を有する下ロールでロール成形する工程（ｅ）を挟んでも良い。
【００１８】
上記各過程で使用される成形スタンドについて、図４，５を参考にしながら、使用するロール形状等を詳細に説明する。
第一の成形工程にあっては、素管Ｍを、曲率半径の大きい凹みをもつ凹型上ロール１１とそれよりも曲率半径の小さい凹型下ロール１２とからなる成形スタンドを通す。
次に第二の成形工程にあっては、素管Ｍは、前記第一の成形工程で使用した凹型下ロール１２と同じかそれよりも小さい曲率半径の凹部をもつ凹型下ロール２２と端部の曲率半径が小さい円盤状の凸型上ロール２１とからなる成形スタンド間を、第一の成形工程で大きい曲率半径で形成された凸曲面中央に前記円盤状の凸型上ロール２１を押付けるように通す。この段階での素管の断面は、中央が窪み樋状に湾曲した断面が横長の形状となっている。
【００１９】
そこで、横幅を小さくすることが必要になる。第三の成形工程においては、第二工程で下ロールとして使用した凹型ロールと同程度の曲率半径の凹部を有する一対の凹型サイドロール３１，３２が配置されている成形スタンド間を通し、樋状開口部を狭めて管外径を小さくする。
この際、第二成形スタンドの凸型上ロール幅よりも平坦幅が狭い円盤状の平型上ロール３３と第二成形スタンドの凹型下ロール２２よりも小さい曲率半径の凹部をもつ凹型下ロール３４が上下に配置されている成形スタンド間を通すと、素管の全外周が左右および上下の４ロールで拘束され、割れや肉余り等を発生させることなく形状精度に優れた異形管が成形できる。
【００２０】
最後の第四工程として、低部径よりも高部径の方が大きいテーパーロール４１，４２が左右に配置されるとともに、第三成形スタンドの平型上ロール３３の平坦幅よりも狭い平坦幅の平型上ロール４３と第三成形スタンドの凹型下ロール３４よりも曲率半径が大きい凹型下ロール４４を上下に配置されている成形スタンド間を通し、左右辺部を側方から内側に押し込むとともに下ロールで底辺部を押し上げて断面台形の底辺および斜辺を形作る。上ロールで支えつつ、左右および下からロールで押圧する形態となるので、袋部を有するほぼ台形外郭の断面形状に逐次変形される。
【００２１】
第三成形スタンドと第四成形スタンドの間に、中央部径よりも高部径の方が大きいテーパー部と中央部から底部にかけて湾曲した湾曲部を有するロール５１，５２が左右に配置配置された成形スタンド間を通して、第四工程での変形量を少なくしても良い。
この際も、第三成形スタンドと同様に、平坦幅が第三成形スタンドの平型上ロール３３の平坦幅よりも狭く第四成形スタンドの平型上ロール４３の平坦幅よりも広い平型上ロール５３と、第三成形スタンドの凹型下ロール３４と同等もしくは大きく第四成形スタンドの凹型下ロール４４よりも小さい曲率半径を有する凹型下ロール５４を上下に配置されている成形スタンド間を通すと、素管の全外周が左右および上下の４ロールで拘束され、割れや肉余り等を発生させることなく形状精度に優れた異形管が成形できる。
【実施例】
【００２２】
肉厚１．００ｍｍ，降伏点９００Ｎ／ｍｍ2，引張強さ９８０Ｎ／ｍｍ2，全伸び２０％の冷間圧延材をベースとして外径５４．０ｍｍの円形管を高周波溶接法で造管し、連続的の本発明法に従ってロール成形した。
第一工程では、異形台形管の湾曲縁辺部および袋部の周方向長さと、台形部の短辺部を除く周方向長さとほぼ適合するように、上部の円周方向長さが７０ｍｍ，曲率半径１５０ｍｍの凹型の上ロールと、下部の円周方向長さが９９．４ｍｍ，曲率半径４０ｍｍの凹型の下ロールを用いて、円弧を２つ上下に繋げた扁平な断面形状に成形した。
【００２３】
第二工程では、曲率半径５０ｍｍの凸型上ロールと、曲率半径１５０ｍｍの凹型下ロールを用いて、第一工程品の断面上半分が凹形状になるようにロール成形した。
第三工程では、平坦幅が１０ｍｍの平型ロールを上ロールに、曲率半径３０ｍｍで幅が８ｍｍの凹型ロールを下ロールにして、曲率半径１５０ｍｍの凹型ロールをサイドロールとして使用して、第二工程品を上下で支えつつ、断面下半分を左右から上方向に押し上げることで、異形台形の袋部分および異形台形の辺部分の粗形状を成形した。
【００２４】
次に、付加工程では、平坦幅が１０ｍｍの平型ロールを上ロールに、曲率半径３０ｍｍで幅が８ｍｍの凹型ロールを下ロールとして使用し、さらに曲率半径１５０ｍｍの凹型ロールをサイドロールとして使用して異形台形の辺部分を粗成形した。
その後、第四工程として、上端部の径が１４５ｍｍ，下端部の径が１２０ｍｍで高さが３２ｍｍのテーパーロールをサイドロールとし、平坦幅が７ｍｍの平型ロールを上ロールに、曲率半径３００ｍｍで幅が４０ｍｍの凹型ロールを下ロールに使用して、異形台形の斜辺部分を内側に押圧しつつ底辺部分を押し上げ、断面異形台形を形作った。
【００２５】
以上の各工程でロール成形された異形台形状管の最終的な断面形状は、底面が３１．８ｍｍ，高さが３１．８ｍｍ，断面線長が１６６．５ｍｍ（管内部の袋部分の断面線長が６３ｍｍ，管外側の台形部分の断面線長が１０３．５ｍｍ）、底辺と斜辺の角度が７５度を有するものであった。
この異形台形管を所定長さに裁断し、曲げ評価特性試験を行った。曲げ評価特性試験は、図６に示すように、肩Ｒ１０ｍｍでスパン１０００ｍｍの支点間に試験片を異形台形の短辺部を上にして載せ、その長手方向中央部に、Ｒ１００ｍｍで幅４０ｍｍのパンチを３０ｍｍ／ｍｉｎの一定の速度で１５０ｍｍ押し込んだときの吸収エネルギー量で評価を行った。
【００２６】
なお、比較のために、従来材である引張強さ１４７０Ｎ／ｍｍ2，断面線長９４．２ｍｍ，肉厚１．８ｍｍの円形熱処理鋼管ならびに引張強さ９８０Ｎ／ｍｍ2の正方形管，オーバル型管，およびターンナップ型管についても同じ曲げ評価特性試験を行った。そしてこの際、いずれの管も従来材と同様もしくは従来材よりも軽量になるように断面線長および肉厚を選定した。
曲げ評価特性試験の結果を表１に示す。
【００２７】
表１では、試験Ｎｏ．２の従来材を基準として、製品重量および吸収エネルギーの点で従来材よりも優れるものを◎，劣るものを×で評価している。
比較例であるＮｏ．４，５，６の正方形，オーバル型およびターンナップ型の管は、本発明品および従来品と同等な重量になるように肉厚および断面線長が選定されているため、重量的には問題はない。しかし、吸収エネルギー特性が従来品よりも劣っている。
これに対して、本発明方法で製造された異形台形状管は、従来品よりも軽量でありながら、従来品と比べて１割程度吸収エネルギーが増加している。
以上に説明したように、従来のターンナップ型管を製造する際のロール形状とロール配置形態を変更することにより、従来品と比べて軽量で吸収エネルギー特性に優れた自動車構造部材用異形管を低コストで製造することが可能となる。
【００２８】
2005230897.tif 000003
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】従来の自動車用構造部材の断面形状を説明する図
【図２】本発明の自動車用構造部材とその曲げ変形時の断面形状を説明する図
【図３】円形管を異形台形管に変形していく過程の断面形状を説明する図
【図４】円形管を異形台形管に変形する工程のロール配置を説明する図
【図５】円形管を異形台形管に変形する各工程のロール形状を説明する断面図
【図６】自動車用構造部材の曲げ評価特性試験方法を示す図
【図１】
2005230897.tif 000004
【図２】
2005230897.tif 000005
【図３】
2005230897.tif 000006
【図４】
2005230897.tif 000007
【図５】
2005230897.tif 000008
【図６】
2005230897.tif 000009